JP4547782B2

JP4547782B2 - 乾式メタン醗酵の立ち上げ方法

Info

Publication number: JP4547782B2
Application number: JP2000235885A
Authority: JP
Inventors: 光昭黒島; 哲雄古賀; 保石橋
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 2000-08-03
Filing date: 2000-08-03
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2020-08-03
Also published as: JP2002045896A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は乾式メタン醗酵の立ち上げ方法に係り、特に故紙等を有効利用して乾式メタン醗酵に適当な乾式メタン醗酵槽内全固形物（ＴＳ）濃度を達成する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
生ごみ、家畜糞尿などの有機性廃棄物をメタン生成菌の作用で嫌気性分解するメタン醗酵処理は、廃棄物を大幅に減容化すると共に、分解により得られるメタンガスを含むバイオガスを電気又は熱の形でエネルギー回収することができるという優れた利点を有する処理方法である。
【０００３】
このメタン醗酵法には、ＴＳ濃度３〜５％程度でメタン醗酵する湿式メタン醗酵法と、ＴＳ濃度１５〜４０％程度でメタン醗酵する乾式メタン醗酵法とがある。
【０００４】
このうち、湿式メタン醗酵法では、ＴＳ濃度が低いため、高負荷処理が困難であり、また、醗酵後は醗酵液の固液分離を行う必要があるのに対して、乾式メタン醗酵法であれば、可溶化処理等の前処理が不要で、有機性廃棄物を高負荷で処理することができ、また、バイオガスの発生量が多く、しかも、メタン醗酵槽内のＴＳ濃度が高いため、醗酵槽からの排泥の固液分離が不要であるといった利点がある。
【０００５】
従来、常套的な乾式メタン醗酵の立ち上げ方法としては、稼働中の乾式メタン醗酵槽内の汚泥（以下、「高濃度汚泥」と呼ぶ。）を新しい槽に移送して種汚泥とする方法が取られている。
【０００６】
しかしながら、高濃度汚泥を種汚泥とする方法は、コストや規制等で輸送路が確保できないなどといった諸々の問題により、稼働中の乾式メタン醗酵槽から高濃度汚泥を新しい醗酵槽に移送できない場合がある。
【０００７】
この場合には、従来の嫌気消化などで用いられているＴＳ濃度が３〜８％と低い汚泥（以下、「低濃度汚泥」と呼ぶ。）を種汚泥として調達してＴＳ濃度を１５〜４０％に高めて乾式メタン醗酵を立ち上げることになるが、低濃度汚泥を種汚泥として高濃度汚泥を得る乾式メタン醗酵の立ち上げ方法は確立されていない。
【０００８】
即ち、種汚泥として調達する低濃度汚泥としては、下水（し尿）処理場の嫌気消化汚泥が考えられるが、嫌気性菌が酸素に触れて失活しないようにしてこれらを濃縮してＴＳ濃度を１５〜４０％まで高めることは困難であり、また低濃度汚泥を単純に濃縮してＴＳ濃度を高めただけの汚泥はセルロース分解能が低く、乾式メタン醗酵に適さないという問題があった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来において、乾式メタン醗酵の立ち上げに当たり、種汚泥として高濃度汚泥を用いる方法は、汚泥の移送等の面で制約を受け、また、低濃度汚泥を種汚泥とする方法は、ＴＳ濃度を高めるための技術が確立されていないために、いずれの方法も実施困難である。そして、このことが、乾式メタン醗酵は、湿式メタン醗酵に比べて優れた長所を多々有するにもかかわらず、国内において未だ実用段階に到っていないことの原因となっている。
【００１０】
本発明は上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、低濃度汚泥を種汚泥として乾式メタン醗酵を安定かつ効率的に立ち上げる方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の乾式メタン醗酵の立ち上げ方法は、嫌気消化汚泥を種汚泥とするメタン醗酵槽内汚泥の一部を引抜き、繊維含有有機物を混合して該メタン醗酵槽に導入し、攪拌せずにメタン醗酵を行って、該メタン醗酵槽内の全固形物濃度を１５〜４０％とすることを特徴とする。
【００１２】
本発明では、低濃度汚泥である嫌気消化汚泥を種汚泥とし、メタン醗酵槽内に保持し、ここから引抜いた汚泥に繊維含有有機物を混合してメタン醗酵槽内に投入する。そして、該メタン醗酵槽内の攪拌を行わずに嫌気的に分解することによって繊維含有有機物の分解を適度に制御し、槽内のＴＳ濃度を１５〜４０％にまで高める。これにより、低濃度汚泥から乾式メタン醗酵用の高濃度汚泥を調製して乾式メタン醗酵を立ち上げることができる。ここで、繊維含有有機物の難分解性成分は槽内ＴＳ濃度を増大させ、生分解性成分は乾式メタン醗酵に適当な微生物群を増殖させ、槽内の乾式メタン醗酵を効果的に立ち上げることができる。
【００１３】
本発明においては、繊維含有有機物としてはＴＳ濃度の増大に有効な難分解性成分と菌の増殖に有効な易分解性成分とをバランス良く含む紙、特に故紙を用いるのが好適である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の乾式メタン醗酵の立ち上げ方法の実施の形態を詳細に説明する。
【００１５】
本発明においては、浮遊性汚泥を用いて嫌気消化を行っている嫌気消化汚泥を種汚泥として乾式メタン醗酵を立ち上げる。この嫌気消化汚泥は、一般に全固形物濃度（ＴＳ濃度）が３〜８％であるが、本発明によれば、繊維含有有機物を併用することにより、ＴＳ濃度１５〜４０％の高濃度汚泥とすることができる。この嫌気消化汚泥としては、メタン菌を含む汚泥であれば良く、中温メタン菌汚泥でも高温メタン菌汚泥でも、これらの混合汚泥でもよいが、特に、有機物分解速度が遅いことから、高温メタン菌汚泥が好ましい。
【００１６】
繊維含有有機物としては、紙や草（植物体）などの分解が遅くメタン菌の担体となる灰分などの難分解性物質と、乾式メタン醗酵に好適なメタン菌の基質として菌の増殖に有効なセルロースなどの易分解性の有機物とを含むものが用いられ、特に、紙、とりわけ廃棄物の再利用の点で故紙が好ましい。
【００１７】
以下に本発明を図面を参照して説明する。
【００１８】
図１は本発明の乾式メタン醗酵の立ち上げ方法の実施の形態を示す系統図である。
【００１９】
本発明においては、まず、下水汚泥の嫌気消化などに用いられる、ＴＳ濃度が３〜８％程度（脱水ケーキの場合は１０〜１２％程度）の低濃度汚泥１を種汚泥として乾式メタン醗酵槽２に投入する。次いで、この醗酵槽２内に保持される汚泥の１／４〜１倍、好ましくは１／３〜１倍程度を引抜いて得られる引抜汚泥３の一部を返送汚泥４として混合装置５に返送して繊維含有有機物６と混合して蒸気７を吹き込み、５０〜６０℃に加温したものを醗酵槽２に投入する。嫌気的条件に保たれた醗酵槽２内では、加温、攪拌操作は行わず、返送汚泥４と繊維含有有機物６の混合物が醗酵槽２の上部に投入されるに従って難分解性物質を担体として嫌気性微生物が増殖した汚泥が醗酵槽２の下部へと移動し、引抜汚泥３として引き抜かれる。引抜汚泥３の一部は余剰汚泥８として系外に排出する。
【００２０】
この投入を槽内のＴＳ濃度が１５〜４０％となるまで繰り返す。なお、嫌気消化汚泥を乾式メタン醗酵槽内に投入するに際し、嫌気消化汚泥の濃度が高すぎてポンプ移送効率の面で不利な場合には、適宜水又は当該嫌気消化液等を混合して濃度調整しても良い。
【００２１】
繊維含有有機物の投入に当っては、予め繊維含有有機物からのガス発生量を測定し、これをもとにガス発生予測値を設定し、ガス発生量の実測値が予測値の９０〜１００％となった時点で新たに繊維含有有機物をメタン醗酵槽に追加投入する。このように繊維含有有機物を投入することで、未分解部分をメタン醗酵槽内に残留させ乾式メタン醗酵に必要なＴＳ濃度１５〜４０％を達成すると共に、嫌気性微生物が容易に分解することのできる成分（セルロース）を基質とすることで、メタン醗酵槽内の有用微生物の菌濃度と活性を高めることができる。
【００２２】
なお、１回の繊維含有有機物の投入量は、その乾式メタン醗酵槽の容量や種汚泥とする嫌気消化汚泥のＴＳ濃度等、その他の条件によっても異なるが、槽内の嫌気消化汚泥に対して０．５〜３．０重量％程度とするのが好ましい。この投入量がこの範囲よりも多いと、槽内の嫌気性菌に対して過負荷となり、かえって菌の増殖を阻害し、少ないと投入回数が徒に増えて作業効率が悪くなる。
【００２３】
この繊維含有有機物の投入に当っては、好ましくは同時に槽内のＶＦＡ（揮発性有機酸）濃度も測定し、槽内ＶＦＡ濃度が槽内汚泥（＝反応槽内のＴＳ＋水）１ｋｇ当り４０００ｍｇ以上となった場合には投入を中断するようにする。即ち、繊維含有有機物の投入量が多く、過負荷状態になった場合にはＶＦＡがメタン醗酵槽内に蓄積するが、ＶＦＡ４０００ｍｇ／ｋｇ以上になると嫌気性菌の活性が阻害され、メタン発生量が低下する。従って、槽内のＶＦＡをモニタリングし、過剰なＶＦＡの蓄積が見られる場合には、故紙投入を中止して、ガス発生量と共に、ＶＦＡ濃度の変化を十分に確認し、菌活性の回復が認められてから次の繊維含有有機物の投入を行うようにする。
【００２４】
本発明において、この繊維含有有機物の投入をメタン醗酵槽を攪拌せずに行うことは極めて重要である。即ち、槽内を攪拌すると繊維含有有機物が分解され易くなり、槽内のＴＳ濃度は高々１０％程度で１５〜４０％の高ＴＳ濃度にすることが困難となる。これに対して、槽内を攪拌することなく繊維含有有機物の投入を繰り返すことにより、槽内のＴＳ濃度を効率的に高めることが可能となる。
【００２５】
この立ち上げに要する期間は、繊維含有有機物の投入サイクル等によっても異なるが、通常の場合、６０〜９０日程度である。
【００２６】
【実施例】
以下に実施例及び参考例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
【００２７】
実施例１
図１に示す装置によりし尿又は下水汚泥を嫌気消化する嫌気消化汚泥を種汚泥として乾式メタン醗酵を立ち上げた。
【００２８】
新たな乾式メタン醗酵槽２（有効容積２０ｍ^３）の種汚泥１として、し尿処理場より中温メタン菌汚泥８５２１ｋｇ、下水処理場より高温メタン菌３０２９ｋｇを入手し投入した。投入した種汚泥はベルトプレス脱水したもので、投入直後の醗酵槽２内ＴＳ濃度は１２％であった。その後槽内を窒素雰囲気とし、醗酵槽２の下部から１回あたり槽内汚泥の１倍量の汚泥を引抜き、混合装置５に返送して幅５ｍｍ程度に裁断した故紙７５〜３５０ｋｇと混合し、蒸気７を吹き込んで５８℃に加温して醗酵槽２に投入した。
【００２９】
故紙の投入の時期は、バッチテストで確認した故紙からのガス発生量予想値をもとに設定した。即ち、０．３ｍ^３−バイオガス／ｋｇ−故紙の計算から、投入故紙量に対する積算発生ガス量を予想し、実測値が予想値の９０〜１００％になった時点で次回の故紙の投入を行った。なお、故紙の投入に際しては、槽内のＶＦＡをモニタリングし、槽内のＶＦＡが４０００ｍｇ／ｋｇ以上にならないように必要に応じて故紙の投入を停止した。なお、槽内のｐＨは７．３〜８．５、温度は５２〜５５℃であった。
【００３０】
このときの故紙の投入量とバイオガス発生量は図２に示す通りであった。また、槽内ＴＳ濃度は実験開始後約３０日間はほぼ一定して上昇し、実験開始から２８日目に１５％弱になったが、その後約１ヶ月間、１２〜１４％程度となった後、実験開始後５５日目から再びやや上昇し、実験開始から６０日を経過した後は実験終了まで１５〜１７％の値となった。
【００３１】
参考例１
実施例１で用いた種汚泥を用い、立ち上げ実験開始前に種汚泥のセルロース分解能を調べた。種汚泥のセルロース分解能は、し尿処理場の中温メタン菌汚泥と下水処理場の高温メタン菌をベルトプレスで脱水してＴＳ濃度１２％とした種汚泥を１ｋｇサンプリングしてこれにセルロース５ｇ混合してｐＨ７．５〜８．５、温度５２℃で６０時間のバッチテストを行い、ガス発生量を測定して実験期間中の単位セルロース量あたりの積算ガス発生量を求めた。
【００３２】
また、実施例１において、実験開始後４０日を経過したＴＳ濃度１３％の汚泥と実験開始後６０日を経過してＴＳ濃度が１５％まで高められた汚泥を用い、同様にしてセルロース分解能を調べた。結果を表１に示す。
【００３３】
【表１】

【００３４】
表１に示すとおり、種汚泥と、実験開始後４０日目の汚泥と、実験開始後６０日を経過し、ＴＳ濃度が１５％以上になった汚泥とではセルロースの分解能に著しい違いがあった。
【００３５】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の乾式メタン醗酵の立ち上げ方法によれば、低濃度汚泥である嫌気消化汚泥に故紙等の繊維含有有機物を混合することで、乾式メタン醗酵に必要なＴＳ濃度１５〜４０％の高濃度汚泥を調製すると共に、槽内の微生物群を増殖させて、乾式メタン醗酵を安定かつ効率的に立ち上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の乾式メタン醗酵の立ち上げ方法の実施の形態を示す系統図である。
【図２】実施例１における故紙の投入量とバイオガスの発生量を示すグラフである。
【符号の説明】
１低濃度汚泥
２乾式メタン醗酵槽
３引抜汚泥
４返送汚泥
５混合装置
６繊維含有有機物
７蒸気
８余剰汚泥

Claims

嫌気消化汚泥を種汚泥とするメタン醗酵槽内汚泥の一部を引抜き、繊維含有有機物を混合して該メタン醗酵槽に導入し、攪拌せずにメタン醗酵を行って、該メタン醗酵槽内の全固形物濃度を１５〜４０％とすることを特徴とする乾式メタン醗酵の立ち上げ方法。
請求項１において、繊維含有有機物が紙であることを特徴とする乾式メタン醗酵の立ち上げ方法。